Схема системы. При совершенствовании рабочего цикла продукты сгорания топлива нагревают детали дизеля (головку блока, цилиндры, поршни и клапаны), в результате их нормальная работа может быть нарушена. Из-за высокого и неравномерного нагрева в деталях возникают термические напряжения и деформации, снижается прочность материалов, нарушаются нормальные зазоры, происходит повышенное изнашивание, а иногда и заедание деталей.
Рис. 1. Диафрагменный охладитель
Судовые дизели охлаждаются, как правило, водой. Количество теплоты, отводимой от деталей при их охлаждении, в зависимости от типа и размеров дизеля составляет 25—35% выделяемой при сгорании топлива. Поскольку такое количество теплоты уносится с водой, охлаждение должно быть умеренным, т. е. в установленных пределах. Как перегрев, так и переохлаждение деталей дизеля крайне нежелательны. С помощью системы охлаждения обеспечивается отвод теплоты от нагревающихся частей дизеля. Опыт эксплуатации показывает, что наивыгоднейший режим работы достигается при температуре выходящей из дизеля воды 90—95 °С.
Для охлаждения поршней высоко-нагруженных дизелей используют масло, для охлаждения форсунок — дизельное топливо. Втулки и крышки цилиндров (головки блока) дизеля охлаждают умягченной (дистиллированной или кипяченой) водой, циркулирующей по замкнутому внутреннему контуру системы охлаждения. Во внутренний контур включены насос, расширительный бак, водяной охладитель, терморегулятор 8 и соединяющие их трубопроводы, а во внешний контур — кингстон, фильтр, насос, охладитель.
Насос 15 внутреннего контура прокачивает умягченную воду через полости охлаждения рабочих втулок, крышек цилиндров (головок блока), камеры охлаждения компрессоров и нагнетает ее по трубопроводу в водяной охладитель 9, где вода охлаждается забортной водой до установленной правилами эксплуатации температуры и снова нагнетается в дизель. Режим охлаждения воды регулируется терморегулятором.
Если температура воды на выходе из дизеля ниже установленного значения, терморегулятор большую часть ее направляет в трубопровод, минуя охладитель. При повышении температуры весь поток умягченной воды проходит через водяной охладитель. Верхние точки отводящей магистрали внутреннего контура на случай парообразования соединены трубами с расширительным баком. Последний компенсирует потери воды в контуре вследствие утечек и испарения. Для контроля за расходованием воды на расширительном баке устанавливают указатель уровня и реле минимального уровня системы предупредительно-аварийной сигнализации.
Пополняют внутренний контур умягченной водой через кран. Забортная вода прокачивается через водяной охладитель, охладитель смазочного масла (на схеме не показан) и через трехходовый кран 6 сбрасывается в ящик забортной воды или за борт.
Рис. 2. Схема системы охлаждения
В случае выхода из строя насоса внутреннего контура дизель может охлаждаться забортной водой. Для этого при работе насоса трехходовые краны устанавливают в такое положение, при котором вода от насоса проходит по трубопроводу в дизель, а от него через кран за борт или в ящик забортной воды. При выходе из строя насосов, переключают краны и к системе подключают резервные насосы общесудового назначения. В замкнутой системе охлаждения горячие поверхности деталей дизеля охлаждаются умягченной водой, не содержащей на-кипеобразующих солей, поэтому температура воды на входе в дизель достигает 60—70 °С, а на выходе — 90—95 °С. С уменьшением температурного перепада охлаждающей воды до 10—15 °С снижаются потери теплоты в охлажденную среду, температурные напряжения в деталях и механические потери на трение.
В связи с указанными преимуществами замкнутую систему охлаждения применяют в настоящее время практически на всех современных дизелях. Работу системы охлаждения контролируют с помощью термометров, манометра и циркуляциомера. Эффективность охлаждения деталей со временем снижается в результате образования накипи и коррозии стенок камер охлаждения. Для умягчения жесткой воды ее кипятят или обрабатывают специальными умягчителями. Коррозионную активность охлаждающей воды снижают введением в нее различных эмульсионных или химических присадок (ВНИИНП-117, хромпик и др.), образующих тонкую маслянистую или оксидную антикоррозионную пленку на стенках камер охлаждения.
Насосы. В системах охлаждения дизелей используют поршневые, центробежные и вихревые насосы, которые приводятся в действие от коленчатого вала дизеля или автономного электродвигателя. Поршневые насосы применяют главным образом в системах охлаждения малооборотных дизелей первых выпусков. Наибольшее распространение в системах охлаждения дизелей получили центробежные насосы. Они просты по устройству (не имеют клапанной коробки и деталей с возвратно-поступательным движением), обеспечивают равномерную подачу воды и могут приводиться в действие от многооборотного двигателя. Основной недостаток их — неспособность к сухому всасыванию. В связи с этим центробежные насосы устанавливают ниже ватерлинии судна, а при более высоком расположении включают во внутренний контур системы охлаждения, когда их полость всасывания постоянно заполнена водой. Главными деталями такого насоса являются корпус с приемным и нагнетательным патрубками и рабочее колесо с лопатками, закрепленное на валу.
При вращении вала находящаяся между лопатками колеса вода отбрасывается центробежной силой от центра к периферии. В связи с этим в центральной части корпуса создается пониженное давление. Улиткообразный корпус насоса выполняет функции диффузора, в котором кинетическая энергия преобразуется в потенциальную и давление воды на выходе из корпуса повышается. Воздух и вода (при необходимости) удаляются из насоса через краны. Верхний кран может быть использован для заполнения корпуса водой при подготовке насоса к работе.
Для охлаждения дизелей применяют также насосы с вихреобразным движением воды в корпусе. По периметру рабочего колеса вихревых насосов вырезаны карманы а, разделенные перегородками. Корпус насоса выполнен с некоторым расширением, так, что от приемного патрубка до нагнетательного образуется канал, охватывающий карманы рабочего колеса. Вода при вращении рабочего колеса центробежными силами перемещается в карманах а от центра к корпусу и в канале в возникает круговой вихрь, поэтому такие динамические насосы называют вихревыми. Получив поступательное движение в сторону вращения рабочего колеса, вода засасывается в насос по приемному патрубку и нагнетается в магистраль через патрубок.
Рис. 3. Центробежный насос
Рис. 4. Вихревой насос
Рис. 5. Водяной охладитель
Чтобы обеспечить равенство давлений по обе стороны колеса, в ступице его сделано несколько отверстий, через которые вода может перетекать с одной стороны колеса на другую. Вихревой насос обладает способностью к сухому всасыванию. Перед пуском насоса воздух из него удаляют через кран. Из корпуса насоса вода спускается через кран.
Водяные охладители. Дизели оборудуют трубчатыми водяными охладителями. Забортная вода поступает в корпус охладителя по патрубку, движется внутри трубок, совершает оборот в районе задней крышки и через патрубок выходит в отводящий трубопровод. Вода внутреннего контура поступает в охладитель через патрубок и, омывая трубки снаружи, выходит через патрубок. Для увеличения пути движения воды внутреннего контура (для повышения интенсивности охлаждения) в корпусе установлены перегородки. Количество теплоты, отводимой системой охлаждения, зависит от размеров дизеля (диаметра цилиндра и хода поршня), его конструкции, среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатого вала, температуры воды в системе и от ряда других факторов.
При снижении температуры воды на выходе из дизеля, а следовательно, и уменьшении количества теплоты, отводимой в систему охлаждения, увеличивается количество теплоты, участвующей в полезной работе газов. Однако большая часть этой теплоты тратится на повышение температуры выпускных газов и стенок деталей ЦПГ. С повышением разности температур внутренних и наружных стенок охлаждаемых деталей ЦПГ возрастают температурные напряжения в них, увеличивается изнашивание поршней и цилиндровых втулок.
При повышении температуры воды на выходе из дизеля температурные напряжения в деталях ЦПГ и их изнашивание уменьшаются. Уменьшается также вязкость масляного слоя между поршнями и втулками цилиндров, благодаря чему происходит некоторое увеличение механического к. п. д., повышается в связи с этим эффективная мощность дизеля и снижается удельный расход топлива. В соответствии со стандартами при изменении нагрузки от 25 до 100% температура воды на выходе из дизеля не должна изменяться более чем на 18 °С. С приемом или сбросом нагрузки допускается колебание температуры на 6 °С от установленного ее значения по окончании переходного процесса. Поддержание заданного температурного режима в системах охлаждения обеспечивается с помощью терморегуляторов. Измерительные элементы терморегуляторов имеют герметическую термосистему, заполненную легкоиспаряющейся жидкостью (метиловым или этиловым спиртом, ацетоном, глицерином, бензином или каким-либо другим термометрическим веществом). У терморегуляторов с зоной нечувствительности более 3 °С измерители могут иметь и твердый наполнитель, например воск.
Исполнительными элементами терморегуляторов обычно являются клапаны различной конструкции, которые перемещаются в корпусе автомата в зависимости от изменения объема измерительного элемента пропорционально регулируемой температуре.
Различают терморегуляторы недистанционные и дистанционные. У первых измерительный и исполнительный элементы смонтированы в одном корпусе. Вторые имеют отдельные корпуса— для измерительного и исполнительного элементов — и отличаются еще от первых и тем, что реагируют на температуру в одном месте смазочной системы, а перераспределяют поток масла к охладителю в другом.
Из недистанционных терморегуляторов наибольшее применение в смазочных системах СЭУ получили двух-поточные: одноклапанные и двухклапанные терморегуляторы. Измерительным элементом в таких регуляторах является сильфон (гофрированный цилиндр), заполненный легкоиспаряющейся жидкостью. Сильфон размещен в трехходовом корпусе и соединен с клапаном. При повышении температуры масла жидкость в сильфоне испаряется, сильфон разжимается и клапан прикрывает отверстие на перепуск масла мимо охладителя. Большая часть горячего масла поступает в охладитель. С понижением температуры масла на выходе из дизеля сильфон сжимается и клапан увеличивает проходное сечение перепуска масла мимо охладителя. В терморегуляторах с двумя клапанами при изменении температуры смазочного масла сильфоны изменяют положение клапанов и управляют потоками масла в охладитель и на перепуск мимо охладителя. Конструкция одного из двухклапанных недистанционного типа терморегуляторов показана на рис. 6, в. Между корпусом и крышкой терморегулятора установлено седло с кронштейном. Количество масла, направляемого в охладитель и на перепуск, определяется положением стакана, клапан которого опирается на седло, а клапан — на гнездо в корпусе регулятора. При повышении температуры масла объем жидкости в измерительном элементе увеличивается. Сильфон разжимается и, упираясь в бурт стакана, смещает его и растягивает пружину перегрузки вниз. Проходное сечение верхнего клапана увеличивается, а нижнего — уменьшается. Большая часть смазочного масла поступает в охладитель. С понижением температуры среды сильфон сжимается и пружина возврата прикрывает клапан, направляя большую часть масла на перепуск, минуя охладитель. Сильфон в верхней части связан со штоком, опирающимся на регулировочный винт. При вращении последнего терморегулятор настраивают На заданное значение температуры. После настройки положение винта фиксируют контргайкой.
Рис. 6. Регуляторы температуры